Законы термодинамики

Закон первый

Этот закон обобщает закон превращения и сохранения энергии для термодинамической системы. Говорит он о том, что изменение внутренней энергии термодинамической системы, которая является неизолированной, будет равно разности количества теплоты, передаваемой системе, и работы, совершаемой системой над внешними объектами. Количество теплоты, которое получает система, идет на изменение внутренней ее энергии и совершение ею работы над внешними объектами. Рассмотрим этот закон термодинамики применительно к изопроцессам газов.

• При изохорном процессе газ работу не совершает. Значит количество теплоты, передаваемое системе, будет равняться изменению внутренней энергии. То есть, при изохорном нагревании, тепло будет поглощаться газом и, соответственно, будет увеличиваться его внутренняя энергия. При охлаждении, тепло будет отдаваться внешним телам.
• При изобарном расширении, тепло газом поглощается, и он совершает работу положительную. При изобарном сжатии, температура газа уменьшается, тепло отдается внешним объектам, внутренняя энергия при этом убывает.
• При изотермическом процессе, изменения температуры газа не происходит, следовательно, не происходит и изменения внутренней энергии. В процессе изотермического расширения количество теплоты, которую получает газ, превращается в работу над внешними объектами. Работа внешних сил, которая производится газом, при изотермическом сжатии превращается  в тепло, передающееся окружающим телам. 
• Рассмотрим первый закон термодинамики при адиабатическом процессе. Адиабатические процессы – это процессы сжатия или расширения газа в адиабатических оболочках. Такими оболочками называют сосуды, в которых отсутствует теплообмен с окружающими объектами.

Так как в этом процессе теплота равна нулю, то учитывая законы термодинамики, в частности первый закон, получается, что газ будет совершать работу за счет убыли своей внутренней энергии. Для адиабатического процесса идеального газа, в термодинамике выводится уравнение, которое называется уравнением Пуассона. Первый закон термодинамики представляет собой обобщение опытных факторов. Согласно ему, энергия не может создаваться или уничтожаться, она будет передаваться от системы к системе и превращаться из одной формы в другую.

Второй закон

Вторым началом термодинамики устанавливается наличие в природе ассиметрии, являющейся фундаментальной. То есть это говорит о том, что все происходящие самопроизвольные процессы характеризуются однонаправленностью. Примеры этому находятся вокруг нас: охлаждение горячих тел с течением времени, но при этом холодные сами по себе никогда не станут горячими, подпрыгивающий мяч рано или поздно остановится, а покоящийся никогда не начнет самопроизвольно подскакивать.

Проявляется здесь свойство природы, которое отличается от сохранения энергии. Несмотря на то, что баланс энергии в любом процессе должен сохраняться, изменение распределения имеющейся энергии происходит необратимым образом. В этом и заключается смысл второго закона термодинамики. Любая система, которая предоставлена сама себе, стремится к одному определенному состоянию, при котором система будет находиться в равновесии с окружающей средой.

Существует разная  формулировка законов термодинамики, в том числе и у второго закона их несколько. Наиболее общую трактовку этого закона предложил Больцман. В ней говорится о том, что в природе происходит стремление к переходу от состояний менее вероятных к более вероятным. Еще одна формулировка второго закона термодинамики говорит о том, что любой самопроизвольный процесс, происходящий в реальности, необратим. И, исходя из формулировки Планка, делается вывод о невозможности построения «вечного двигателя». Речь в ней идет о том, что нельзя построить машину, периодически действующую, результатом действия которой будет лишь получение механической работы и охлаждение теплового источника.

Закон третий 

Функция, которая характеризует меру неупорядоченности системы в термодинамике, то есть неоднородность движения и расположения ее частиц, называется термодинамической энтропией. Изложенные выше законы термодинамики не дают возможности определить значение энтропии при температуре равной нулю, то есть абсолютном нуле температуры.

Поэтому на их основании был найден закон, который устранил это. Он носит название принципа Нернста и говорит о том, что если любой изотермический процесс проведен при абсолютном нуле температуры, то нулю будет равно и изменение энтропии системы. Это не будет зависеть от изменения других параметров (давления, объема, напряженности внешнего силового поля). То есть изотермический процесс при абсолютном нуле температуры является также изоэнтропийным. Планком был развит принцип Нернста. На основании его гипотезы можно определять абсолютные значения энтропии системы, находящейся в произвольно равновесном состоянии.

Термодинамика и ее законы применяется в обширном круге вопросов в области техники и науки. Это двигатели, химические реакции, фазовые переходы, явления переноса, черные дыры. Эти принципы имеют важное значение и для других областей физики и химии, законы термодинамики нужны химической технологии, машиностроению, аэрокосмической технике, клеточной биологии, материаловедению, биомедицинской инженерии.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Законы Термодинамики в физике

 

Нулевой закон термодинамики гласит:

если система находится в состоянии термодинамического равновесия, то температура во всех ее частях одинакова.

Наглядной иллюстрацией этого является охлаждение теплого молока в холодильнике. Сразу после того, как мы ставим пакет с молоком в холодильник, термодинамическое равновесие нарушается, поскольку нулевой закон не выполняется. Но постепенно происходит изобарно-изохорное охлаждение пакета и он принимает температуру, поддерживаемую внутри холодильника. Система возвращается в состояние равновесия.

Первый закон — это одна из многочисленных формулировок закона сохранения энергии, он непосредственно описывает превращения одних видов энергии в другие при протекании физико-химических процессов. Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики. Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил. Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества N при химическом потенциале μ, и работы A', совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой самой системой против внешних силΔU = Q − A + μΔN + A'.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

Постулат Томсона: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Второй закон. Вторым началом термодинамики устанавливается наличие в природе ассиметрии, являющейся фундаментальной. То есть это говорит о том, что все происходящие самопроизвольные процессы характеризуются однонаправленностью. Примеры этому находятся вокруг нас: охлаждение горячих тел с течением времени, но при этом холодные сами по себе никогда не станут горячими, подпрыгивающий мяч рано или поздно остановится, а покоящийся никогда не начнет самопроизвольно подскакивать.

Проявляется здесь свойство природы, которое отличается от сохранения энергии. Несмотря на то, что баланс энергии в любом процессе должен сохраняться, изменение распределения имеющейся энергии происходит необратимым образом. В этом и заключается смысл второго закона термодинамики. Любая система, которая предоставлена сама себе, стремится к одному определенному состоянию, при котором система будет находиться в равновесии с окружающей средой. Второй закон рассматривает понятия порядка и хаоса, а также позволяет определять возможность самопроизвольного протекания тех или иных химических реакций.

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло Q1 у нагревателя, отдав Q2 холодильнику и совершив при этом работу A = Q1 − Q2. После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло Q2 от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

• «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» Закон термодинамики, согласно которому любая энергетическая система стремится к состоянию равновесия. В теории психоанализа энтропия означает, что всем живым организмам присуще обязательное стремление вернуться в неживое состояние, из которого они изначально произошли.
• Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) Третье начало термодинамики может быть сформулировано так:

«Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система».

или

где x —

 

 

Третий закон термодинамики утверждает и доказывает, что

абсолютный ноль температуры недостижим любой термодинамический параметр.

Третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям.

Поскольку на основе второго начала термодинамики энтропию можно определить только с точностью до произвольной аддитивной постоянной (то есть, определяется не сама энтропия, а только её изменение):

,

третье начало термодинамики может быть использовано для точного определения энтропии. При этом энтропию равновесной системы при абсолютном нуле температуры считают равной нулю.

Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики). В классической термодинамике энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной S0, что не мешает термодинамическим исследованиям, так как реально измеряется разность энтропий (S0) в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики, при значение .

В 1911 году Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики, как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю: . Отсюда S0 = 0, что даёт возможность определять абсолютное значения энтропии и других термодинамических потенциалов. Формулировка Планка соответствует определению энтропии в статистической физике через термодинамическую вероятность (W) состояния системы S = klnW. При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии. Если оно невырожденно, то W = 1 (состояние реализуется единственным микрораспределением) и энтропия S при равна нулю. В действительности при всех измерениях стремление энтропии к нулю начинает проявляться значительно раньше, чем могут стать существенными дискретность квантовых уровней макроскопической системы и влияние квантового вырождения.

невозможны.

Нулевое начало термодинамики (общее начало термодинамики) — физический принцип, утверждающий, что вне зависимости от начального состояния изолированной системы в конце концов в ней установится термодинамическое равновесие, а также что все части системы при достижении термодинамического равновесия будут иметь одинаковую температуру. Тем самым нулевое начало фактически вводит и определяет понятие температуры. Нулевому началу можно придать чуть более строгую форму:

Если система A находится в термодинамическом равновесии с системой B, а та, в свою очередь, с системой C, то система A находится в равновесии с C. При этом их температуры равны.